Quantum manipulation of photons and atoms [Elektronische Ressource] : the application in quantum information processing / presented by Yu-Ao Chen

De
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto{Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byM.Sc. Yu-Ao Chenborn in Qidong Jiangsu (P. R. China)rdOral examination: January 23 2008Quantum Manipulation ofPhotons and Atoms* * *The Application in Quantum Information ProcessingReferees: Prof. Dr. Jian-Wei PanProf. Dr. Jorg SchmiedmayerZusammenfassungQuantenmanipulation von Photonen und AtomenQuanteninformation wird seit den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts ein grosser wis-senschaftlicher Wert und grosse Anwendbarkeit bezeugt. Die hier vorgestellte wissenschaftlicheArbeit gliedert sich in zwei Hauptteile: die Manipulation von Multiphotonen-Verschran kung undQuantenspeicher basierend auf atomaren Ensembles. Im ersten Teil werden die experimentellenMethoden von Multiphotonen-Verschrankung weiterentwickelt um fundamentale Fragen der Quan-tenmechanik zu studieren und bemerkenswerte Anwendungen zur Quantenkommunikation undQuantenrechnungen zu untersuchen. Genauer gesagt handelt es sich dabei um die Demonstrationeines Bit-Flip fehlerfreien Transfers von Quanteninformation, die Verletzung der Bell’schen Un-gleichung uber die Tsirelson Grenze, die Teleportation eines zwei Qubit-Kompositsystems, sowieum eine Einwegquantenrechnung mittels eines Zwei-Photonen-Vier-Qubit-Clusterzustandes.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto{Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
M.Sc. Yu-Ao Chen
born in Qidong Jiangsu (P. R. China)
rdOral examination: January 23 2008Quantum Manipulation of
Photons and Atoms
* * *
The Application in Quantum Information Processing
Referees: Prof. Dr. Jian-Wei Pan
Prof. Dr. Jorg SchmiedmayerZusammenfassung
Quantenmanipulation von Photonen und Atomen
Quanteninformation wird seit den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts ein grosser wis-
senschaftlicher Wert und grosse Anwendbarkeit bezeugt. Die hier vorgestellte wissenschaftliche
Arbeit gliedert sich in zwei Hauptteile: die Manipulation von Multiphotonen-Verschran kung und
Quantenspeicher basierend auf atomaren Ensembles. Im ersten Teil werden die experimentellen
Methoden von Multiphotonen-Verschrankung weiterentwickelt um fundamentale Fragen der Quan-
tenmechanik zu studieren und bemerkenswerte Anwendungen zur Quantenkommunikation und
Quantenrechnungen zu untersuchen. Genauer gesagt handelt es sich dabei um die Demonstration
eines Bit-Flip fehlerfreien Transfers von Quanteninformation, die Verletzung der Bell’schen Un-
gleichung uber die Tsirelson Grenze, die Teleportation eines zwei Qubit-Kompositsystems, sowie
um eine Einwegquantenrechnung mittels eines Zwei-Photonen-Vier-Qubit-Clusterzustandes. Um
die Unskalierbarkeit durch die probabilistischen Eigenschaften in der linearen Quanteninforma-
tionsverarbeitung zu uberwinden, haben wir im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit die Physik
von Quantenspeichern basierend auf atomaren Ensembles untersucht. Wir zeigen theoretisch, dass
Verschrankung zwischen entfernten Orten deterministisch erzeugt werden kann. Mit den exper-
imentell sorgfaltig entwickelten Techniken haben wir eine deterministische Einzelphotonenquelle
umgesetzt, die Interferenz von Photonen von unabhangigen atomaren Ensembles erreicht, die Tele-
portation zwischen einem photonischen und atomaren Qubit verwirklicht, einen neuen Weg zur
Erzeugung von robuster Verschran kung zwischen einem atomaren und einem photonischen Qubit
entwickelt und speicherbasierten Verschrankungstausch nachgewiesen. Wir glauben, dass die hier
dargestellten Techniken den Fortschritt in vielen Feldern wie der globalen Quantenkommunika-
tion, der linearen optischen Quantenrechnung, den Fundamenten der Quantenmechanik usw. eine
dramatische Erleichterung bringen werden.
Abstract
Quantum manipulation of photons and atoms
Quantum information has been witnessing great science value and latent application since 1980’s.
The research work presented here consist of mainly two important parts: manipulations of multi-
photon entanglement and atomic ensembles based quantum memory. In rst part, the experimental
technique multi-photon entanglement is further developed to study fundamental issues in quan-
tum mechanics, remarkable applications to quantum communication and quantum computation.
Speci cally, we have demonstrated a bit- ip error-free transfer of quantum information, violation
of Bell’s inequality beyond Tsirelson’s bound, teleportation of a two-qubit composite system, as
well as the one-way computing by two-photon-four-qubit cluster state. To overcome un-scalability
problem due to probabilistic feature in linear optical quantum information processing, we inves-
tigated in the second part the physics of atomic ensembles based quantum memory. We show
that theoretically, entanglement between distant locations can be deterministically generated. The
experimental work has thoroughly developed the necessary techniques and we have achieved deter-
ministic single photon source, and interference of the photons from independent atomic ensembles,
teleportation between photonic and atomic qubits, a novel way to create a robust entanglement be-
tween an atomic and a photonic qubit, and memory based entanglement swapping. We believe, the
developed techniques here would dramatically facilitate progresses in many elds including global
quantum communication, linear optical quantum computation and the foundations of quantum
mechanics etc.
iii
摘 要
光子和原子的量子操纵
量子信息学是基于上世纪物理学最重大的发展之一量子力学的基础之上
的,由于其潜在的应用价值和重大的科学意义,上世际八十年代以来,量子
信息学成为一门迅速发展的新兴学科,同时引起了各国政府和广大科学界的
高度关注。

本文主要研究多光子纠缠以及基于原子系综的量子存储在量子信息处理
中的应用。本文主要包括两个部分:多光子纠缠的实验操纵和基于原子系综
的量子存储的操纵。

在第一部分中,我们在实验上进一步发展了基于参量下转换的多光子纠
缠的实验技术,除了研究多光子纠缠在量子力学基础问题上的性质之外,我
们也实现了其在量子通讯以及量子计算学等方向的重要应用:实验实现无比
特翻转误差的量子态传输;验证了高于 Tsirelson 极限的贝尔不等式的违背;
双光子复杂系统的隐形传态;通过双光子四比特簇态实现了基于测量的高速
单向量子计算。

然而,由于源的概率性,限制了基于参量下转换的量子信息处理往更复
杂化升级,人们提出了量子存储来解决这一问题。在本文的第二部分,我们
从理论上以及实验上研究了基于原子系综的存储可行性。理论研究表明,通
过原子系综的帮助,我们可以确定性的在两个距离遥远的地方之间产生最大
纠缠态。进一步的,我们发展了必须的实验技术以在实验上研究量子存储:
通过读写原子系综产生的非经典光子对,我们实验实现了确定性的单光子源;
进一步的我们研究了基于两个独立系综的两个光子之间的相干及其不可区分
性;利用两个系综作为一个量子比特,我们实现了从光子比特到原子比特的
量子隐形传态;进一步的我们发展了一个更新奇稳定的光子原子纠缠源,基
于这样一个纠缠源我们实现了基于量子存储的量子纠缠交换。

最后,我们的实验方法将大大促进未来的全球量子通讯,线性光学量子
计算,量子力学基础检验等重要科学问题的研究。
iii


吾将上下而求索
路漫漫其修远兮,Contents
Abstract i
Contents v
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